南理工《JMST》： 中程有序增强大块金属玻璃拉伸塑性

　　大块金属玻璃具有高弹性强度、高断裂韧性、耐磨、耐腐蚀等特点，是一种很有发展前景的结构材料。金属玻璃是一种典型的无序材料，长程无序，缺乏类似晶体材料中位错的变形载体。屈服后的塑性应变主要集中在纳米尺度的剪切带内。在大多数情况下，大块金属玻璃的快速破坏可能发生在初级剪切带。此外，大块金属玻璃在整个塑性变形过程中经常表现出软化。目前已经提出了金属玻璃中的变形单元，包括剪切转换区、自由体积、流动单元、类液体区域、等。然而大块金属玻璃有限的拉伸塑性阻碍了其广泛的工程应用。因此深入了解大块金属玻璃的结构-性能关系是解决上述困难的必要条件。通过年轻化处理产生额外的自由体积，在提高大块金属玻璃的压缩塑性方面已经取得了进展。年轻化方法有很多，包括低温热循环和机械循环等。由于大块金属玻璃中的非均匀结构具有不均匀的热膨胀系数，导致非仿射热应变，因此低温热循环可以诱导年轻化。金属玻璃也可以通过机械变形恢复到更高的能态，如高压扭转、冷轧等。然而传统的高压扭转、冷轧等大塑性变形工艺会在大块金属玻璃中引入许多非均匀宏观缺陷，使其力学性能恶化。因此在三维应力受限环境下的变形技术已被发现比传统的年轻化方法更能有效地避免集中的微观缺陷。约束变形法可以在大块金属玻璃试样中产生大量的自由体积。在三维压应力作用下，剪切应力小于剪切带的临界生成应力，防止了应变局部化。因此，约束变形法也可以显著提高金属玻璃压缩塑性。然而拉伸塑性提高是否大于铸态金属玻璃仍不确定。值得一提的是，研究约束变形过程中原子尺度结构演变有助于建立其原子尺度结构与性能之间的相关性。

　　基于此，南京理工大学的兰司教授团队利用原位高能同步X射线衍射技术，揭示了VIT-105金属玻璃的原子尺度结构演化过程。VIT-105金属玻璃可以通过约束变形法进行预处理，获得了比铸态金属玻璃更高的抗拉强度。同时由铸态玻璃的单一阶段塑性变形演化为双阶段塑性变形。实验结果揭示了约束变形过程中原子结构演化与力学性能之间的关联，这有利于基于约束变形技术开发具有可观塑性变形的金属玻璃材料。相关论文以题为“Medium-range order endows a bulk metallic glass with enhanced tensile ductility”发表在Journal of Materials Science & Technology上。

　　图1 (a)铸态和约束变形金属玻璃的比热容曲线; 铸态(b)和约束变形(c)金属玻璃的HRTEM图; (d) 约束变形金属玻璃剪切带形貌的SEM图。

　　图2 (a)单轴拉伸下原位同步加速器X射线衍射示意图; (b) 铸态和约束变形金属玻璃原位拉伸应力-应变曲线; (c) 铸态和约束变形金属玻璃中子和同步加速器结构因子图; (d) 铸态和约束变形金属玻璃剖面的G(r)曲线(a)铸态和(b)约束变形金属玻璃在初始状态、屈服点和断裂前的同步X射线结构因子图; (c)铸态和(d)约束变形金属玻璃变形过程与初始状态之间峰值位置的差异。

　　图4 (a)铸态和(b)约束变形金属玻璃在初始状态、屈服点和断裂前的剖面G(r)曲线; (c)铸态和(d)约束变形金属玻璃对分布函数图中第二配位的高斯拟合结果。

　　综上所述，作者通过采用原位同步高能X射线衍射、中子散射、透射电镜、扫描电镜等手段，研究了约束变形过程中金属玻璃的中短程结构演化过程。结果表明，约束变形金属玻璃比铸态金属玻璃具有更高的强度和更好的塑性。在约束变形金属玻璃中存在松散排列的中程序。约束变形金属玻璃的塑性变形分为两个阶段，而铸态的塑性变形只有一个阶段。在约束变形金属玻璃塑性变形的第二阶段，“应变硬化”速率增加，表明变形过程中存在反常的组织响应。研究发现在张力作用下中程序变化较大而短短序变化较小。此外约束变形金属玻璃在弹性阶段表现出更强的各向异性。实验结果表明在约束变形的不同变形阶段，2原子和3原子的连接模式发生变化并相互竞争。年轻化效应和老化效应之间的竞争可能导致约束变形金属玻璃塑性变形阶段的结构交叉。研究结果为提高金属玻璃的拉伸塑性提供了重要指导。（文：Keep real）